Question

【題目】某小組通過分析鎂與酸反應時pH的變化，探究鎂與醋酸溶液反應的實質。

（實驗）在常溫水浴條件下，進行實驗Ⅰ～Ⅲ，記錄生成氣體體積和溶液pH的變化：

Ⅰ．取0.1 g光亮的鎂屑(過量)放入10 mL 0.10 mol·L–1 HCl溶液中；

Ⅱ．取0.1 g光亮的鎂屑放入10 mL 0.10 mol·L–1 CH3COOH溶液(pH = 2.9)中；

Ⅲ．取0.1 g光亮的鎂屑放入10 mL pH = 2.9 HCl溶液中。

（數據）

圖1 圖2

(1)起始階段，Ⅰ中主要反應的離子方程式是____。

(2)Ⅱ起始溶液中約為____。(選填“1”、“10”或“102”)

(3)起始階段，導致Ⅱ、Ⅲ氣體產生速率差異的主要因素不是c(H+)，實驗證據是____。

(4)探究Ⅱ的反應速率大于Ⅲ的原因。

提出假設：CH3COOH能直接與Mg反應。

進行實驗Ⅳ：____。

得出結論：該假設成立。

(5)探究醋酸溶液中與Mg反應的主要微粒，進行實驗Ⅴ。

與Ⅱ相同的條件和試劑用量，將溶液換成含0.10 mol·L–1的 CH3COOH與0.10 mol·L–1 CH3COONa的混合溶液(pH = 4.8)，氣體產生速率與Ⅱ對比如下。

a．實驗Ⅴ起始速率	b．實驗Ⅱ起始速率	c．實驗ⅡpH=4.8時速率
2.1 mL·min–1	2.3 mL·min–1	0.8 mL·min–1

對比a~c中的微粒濃度，解釋其a與b、a與c氣體產生速率差異的原因：____。

(6)綜合以上實驗得出結論：

①鎂與醋酸溶液反應時，CH3COOH、H+、H2O均能與鎂反應產生氫氣；

②____。

(7)實驗反思：120 min附近，Ⅰ~ⅢpH均基本不變，pH(Ⅰ) ≈ pH(Ⅱ) < pH(Ⅲ)，解釋其原因：____。

Answer 1

【答案】Mg + 2H+ = Mg2+ + H2↑ 102 由圖1可知起始階段Ⅱ的速率遠大于Ⅲ，但圖2表明起始階段Ⅱ的pH大于Ⅲ 室溫下，將光亮的鎂屑投入冰醋酸中，立即產生氣體 a與b對比，c(CH3COOH)幾乎相同，但b中c(H+) 約為a的100倍，使速率b > a；a與c對比，c(H+)幾乎相同，但a中c(CH3COOH)約為c 的2倍，使速率a > c CH3COOH是與Mg反應產生氣體的主要微粒 120min附近，Mg(OH)2(s) Mg2+(aq) + 2OH–(aq)均達到平衡狀態，因此pH基本不變；c(Mg2+) Ⅰ≈Ⅱ>Ⅲ，Ⅰ、Ⅱ中上述平衡相對Ⅲ逆移，c(OH–)減小，pH減小

【解析】

反應剛開始時，由于 Ⅰ 中c(H+)最大，所以反應速率最快，消耗n(H+)最多，但如果只發生反應2H++Mg=Mg2++H2↑，則Ⅰ、Ⅱ中產生H2的體積應相差較大，但實際上體積相差不大，說明醋酸也能與鎂直接反應；從Ⅱ、Ⅲ中產生H2的體積也可得出同樣的結論。當Ⅰ、Ⅱ中產生H2的體積相同時，鹽酸、醋酸應完全反應，但產生H2的體積繼續增大，表明Mg與H2O能發生反應Mg+2H2O= Mg(OH)2+ H2↑，且醋酸中產生的H2更多，說明Mg與H2O反應的速率Ⅱ中更快。比較Ⅱ、Ⅲ中溶液的pH，隨著反應的進行，Ⅱ的pH比Ⅲ大，但產生H2的速率Ⅱ>Ⅲ，表明c(H+)不是影響反應速率的唯一因素；比較Ⅰ、Ⅱ溶液的pH，當pH相等后，鹽酸中溶液的pH先趨于穩定，說明鹽酸與Mg反應先結束，而醋酸與Mg反應后結束；Ⅲ與Ⅰ、Ⅱ溶液進行比較，Ⅲ的pH大，則表明Ⅲ中c(OH–)大，應為Ⅰ、Ⅱ溶液中c(Mg2+)引起。

(1)起始階段，Ⅰ 中主要發生鎂與鹽酸的反應，離子方程式是Mg + 2H+= Mg2++ H2↑。答案為：Mg + 2H+= Mg2++ H2↑；

(2)Ⅱ 起始溶液中約為=102。答案為：102；

(3)起始階段，雖然Ⅱ、Ⅲ中c(H+)相等，但從產生H2的體積判斷，Ⅱ、Ⅲ中氣體產生速率差異很大，而Ⅱ的pH大于Ⅲ，則表明主要因素不是c(H+)，實驗證據是：由圖1可知，起始階段Ⅱ的速率遠大于Ⅲ，但圖2表明起始階段Ⅱ的pH大于Ⅲ。答案為：由圖1可知，起始階段Ⅱ的速率遠大于Ⅲ，但圖2表明起始階段Ⅱ的pH大于Ⅲ；

(4)既然c(H+)不是影響反應速率的主要原因，那么有可能是醋酸能與Mg直接反應，于是進行實驗Ⅳ：室溫下，將光亮的鎂屑投入冰醋酸中，立即產生氣體。答案為：室溫下，將光亮的鎂屑投入冰醋酸中，立即產生氣體；

(5) a與b中醋酸濃度相同、但a中c(H+)小，反應速率慢；a與c中，c(H+)相同，但醋酸濃度c大約是a中的一半(假設實驗Ⅱ中醋酸反應掉近一半，此時溶液中醋酸與醋酸根離子濃度相等，剛好為a中的一半，pH比a中稍大)，反應速率慢，由此得出氣體產生速率差異的原因：a與b對比，c(CH3COOH)幾乎相同，但b中c(H+)約為a的100倍，使速率b > a；a與c對比，c(H+)幾乎相同，但a中c(CH3COOH)約為c 的2倍，使速率a > c。答案為：a與b對比，c(CH3COOH)幾乎相同，但b中c(H+)約為a的100倍，使速率b > a；a與c對比，c(H+)幾乎相同，但a中c(CH3COOH)約為c 的2倍，使速率a > c；

(6)①鎂與醋酸溶液反應時，CH3COOH、H+、H2O均能與鎂反應產生氫氣；

②從實驗Ⅰ、Ⅱ的比較中可得出，CH3COOH是與Mg反應產生氣體的主要微粒。答案為：CH3COOH是與Mg反應產生氣體的主要微粒；

(7) 120 min附近，Ⅰ~Ⅲ pH均基本不變、c(Mg2+)相同，而Ⅲ的pH大，c(Mg2+)小，所以解釋pH(Ⅰ) ≈ pH(Ⅱ) < pH(Ⅲ)的原因，應為：120min附近，Mg(OH)2(s)Mg2+(aq) + 2OH–(aq)均達到平衡狀態，因此pH基本不變；c(Mg2+) Ⅰ≈Ⅱ>Ⅲ，Ⅰ、Ⅱ中上述平衡相對Ⅲ逆移，c(OH–)減小，pH減小。答案為：120min附近，Mg(OH)2(s)Mg2+(aq) + 2OH–(aq)均達到平衡狀態，因此pH基本不變；c(Mg2+) Ⅰ≈Ⅱ>Ⅲ，Ⅰ、Ⅱ中上述平衡相對Ⅲ逆移，c(OH–)減小，pH減小。